Proč je divné, že má černá díra gravitaci

Černá díra je objekt záhadný. Mnoho jeho záhad se snaží vysvětlit současná fyzika. Třeba je divné, že z rovnic obecné teorie plyne, že by "uprostřed" černé díry měla být tzv. singularita.

Tato gravitační singularita má být bod, do kterého je soustředěna skoro všechna hmotnost černé díry. Ovšem jestli z rovnic obecné teorie relativity vycházejí rozměry singularity nekonečně malé, pak hustota (hmoty) v ní by musela být nekonečná. Jakákoliv nekonečná hodnota v empirické vědě jako je fyzika ale není vědecká představa. Nejde totiž empiricky testovat. Nelze ověřit, že má singularita nulové tedy nekonečně malé rozměry už proto, že žádné měření délky nemůže být absolutně přesné. A pokud nezměříme přesně nulovou velikost, nelze spočíst, že je hustota nekonečná.

Kvůli tomuto nesmyslnému nekonečnu vznikla představa, že singularita sice existuje, ale je to spíše oblast extrémně koncentrované hmoty, nicméně její rozměry jsou větší než nulové. Jinak by pro ni nemohla platit ani druhá zásadní teorie moderní fyziky, kvantová mechanika. Její Heisenbergovy relace neurčitosti totiž znemožňují existenci nulové délky. K její existenci či k jejímu změření bychom potřebovali částici o nekonečném impulsu, tedy i o nekonečné energii, což je nemožné. Proto vznikly snahy vytvořit novou teorii, tzv. teorii "všeho", a to "kombinací" teorie gravitace, tedy obecné teorie relativity, a kvantové mechaniky. Je to snaha kvantovat gravitaci v podobě smyčkové kvantové gravitace nebo M-teorie, tedy dříve tzv. teorie superstrun. Obě nějakým způsobem eliminují nulové vzdálenosti a nulové rozměry.

Co ale jiná otázka? Je totiž divné, že má černá díra vůbec gravitaci. Není to úplný nesmysl? Vezměme to postupně. Prvním empirickým testem obecné teorie relativity bylo zakřivování světelných paprsků kolem Slunce. Gravitace působí na světlo tak, že zakřivuje jejich dráhu. Nebo jeho dráhu může ovlivnit i tak, že světlo dokonce zastaví. To je ostatně podstata horizontu událostí černé díry, že z ní nepustí ani světlo, které se pochopitelně pohybuje rychlostí světla.

Jenže je tu ještě něco, co se v mnohém chová přesně jako světlo. Jsou to gravitační vlny nebo obecně jakákoliv gravitační akce, změny tohoto pole (perturbace). Ty se také pohybují rychlostí světla a také se jejich dráha, třeba dráha gravitačních vln, zakřivuje kolem gravitujících objektů. Tyto vlny jsou totiž vlny prostoročasu, a ten je kolem gravitujících těles zakřiven. Toto zakřivení si můžeme představit v metafoře, jako zakřivení hladiny vody ve splavu a zrychlení jejího toku. Když do hladkého proudu splavu hodíme kámen, budou vzniklé vlnky na hladině taky zakřivené a navíc unášené proudem, podobně jako jsou gravitací objekty unášeny směrem k černé díře. Fotony a gravitační vlny, když jsou unášeny gravitačním polem, tedy v něm stoupají nebo klesají v gravitačním poli, ztrácejí či získávají energii. Když stoupají, ztrácí ji, když klesají, pak získávají.

Přitom nejde jen o gravitační vlny, ale jakýkoliv gravitační vliv, jakákoliv gravitační akce, jak jsme už uvedli. Klasicky se to ukazuje na představě, že když by náhle zmizelo Slunce, Země by kolem něj přestala obíhat a letěla by rovně až za nějakých 7 minut, protože je od Slunce vzdálena nějakých 7 světelných minut. 

Máme tedy dvě věci, na jejichž pohyb působí zakřivený prostoročas, neboli gravitace, stejně. Obě se pohybují rychlostí světla, obě stejně zakřivují svou dráhu kolem gravitujících těles. Dá se tedy předpokládat jejich stejné chování také kolem horizontu černé díry. A když tento horizont zpod sebe nepustí ven světlo, neměl by pustit ani gravitační vlny a obecně jakýkoliv gravitační vliv. Černá díra by pak neměla mít gravitaci, neměla by vůbec existovat.

Fyzika tu tvrdí, že ven z černé díry se nedostane jen změna gravitačního pole, třeba gravitační vlny, ale pole samotné tam je. (Stejně jako ven zasahuje pole elektromagnetické, ale jeho změny, tedy fotony, nikoliv.) Vypadá to jako dobré vysvětlení, když si představíme onu analogii hladkého proudu splavu a to, a že do něj hodíme kámen. Když mají vlnky jdoucí proti proudu menší rychlost než proud, nedostanou se proti proudu (na rozdíl od rychlejších lososů opouštějících proud). U této metafory pak ale vznikne otázka, jestli je opravdu zdrojem proudu splavu to místo, kam ten proud dopadne? Ale černá díra by měla být zdrojem gravitace, ne? Zdroj je druh počátku kauzálního působení.

Samozřejmě, že takové metaforické uvažování může být zavádějící a rovnice popisují situaci lépe. Například říkají, že jakýkoliv posun hmoty uvnitř černé díry se nijak neprojeví na jejím horizontu událostí, prostě, že se žádná gravitační akce nedostane zevnitř ven. Ale jak pak může onen vnitřek zakřivovat prostoročas nad horizontem? Spíše jako by to vypadalo podle oné "splavové" analogie, že zdroj je někde jinde. U toho splavu to není vodní tok či nějaký vodní objekt, který způsobuje proud vody. Je to vnější působení, gravitační síla. Pak by mohla být oním motorem, který pohání gravitaci třeba temná energie nebo něco jiného možná mimo náš 4D vesmír..

Černá díra je v podezření, že by možná neměla mít gravitaci. Přesto ji ale má a tak trochu není jasné proč. Že by gravitace nemusela být jen v našem vesmíru, že by mohla být vícerozměrná, navrhuje i zmíněná M-teorie, která se tím snaží vysvětlit také slabost gravitace v našem vesmíru. Tuto slabost např. ve srovnání s elektromagnetickou interakcí, která je základem pevnosti těles kolem nás, si lze ukázat názorně. Když hodíte vajíčko z 10.patra, nabírá kinetickou energii pod vlivem gravitace v průběhu asi 30 metrů. Ovšem elektromagnetickou silou, tedy pevností chodníku, je tento pohyb zastaven "okamžitě". Tedy elektromagnetická síla eliminuje na milimetru působení gravitace po dráze 30 metrů.

---------------------

Chcete-li pouvažovat nad dalšími tajemnostmi kolem černých děr, můžete zkusit:
Je horizont černé díry jen iluze?Mohou být černé díry průsvitné?Zvuková černá díra